毕业设计（论文）-四相电压调整模块的设计.doc

辽宁工程技术大学毕业设计（论文）10 引言随着信息产业技术的迅猛发展，超大规模集成电路的尺寸不断变小，计算机、工作站、网络服务器、便携式设备等得以快速发展在这些场合，对于其供电电源来说，由于数据处理电路是一类特殊的负载，要求供电电源是低电压、大电流，适于工作状态的不断转换，具有很高的电流变化率目前国内外很多研发机构和公司，已经针对数据处理电路这类特殊负载的供电电源进行了广泛深入的研究，并给以专门的名称 VRM，即电压调节模块刘易鑫：四相电压调整模块的设计21 概述1.1 电压调整模块（VRM）概念随着信息技术的快速发展和广泛应用，为了满足日益增长的、更加复杂的实时计算要求，今天的通信系统采用了大量的高功率计算 IC，包括 CPU、FPGA 和存储器为了提高计算速度就必然要求其供电电源工作频率和供电电流相应增加，同时为了减小能量损耗则要求供电电压反而越来越低，预计未来设备要求电流超过 100A 而电压却低于 1V因而新一代微处理器的供电电源—低电压、大电流输出 DC/DC 变换器模块，又称电压调节模块 [1]必将向着低电压、大电流、小体积、高频化、高功率密度、高可靠性、高效率、快速动态响应的方向发展。

同时要求 VRM 的功率变换效率高，尽可能提高开关频率，减小 VRM 的体积，以适应模块化的发展方向这些性能要求对 VRM 的设计提出了严峻挑战，必须通过有效的方式和途径来解决1.2 电压调整模块（VRM）的发展历史与前景电压调节模块(VRM)的发展，基本上是按着它的输入电压变化而发展的其电路拓扑结构基本上还都是 BUCK 变换器，同时采用同步整流技术，以提高模块效率但是随着微处理器对供电要求的不断提高，VRM 出现下列发展趋势：(1)工作电压越来越低现阶段 VMR 的输出电压已经由原来的 3.3V 降低到了 l.1V 左右，未来其输出电压甚至会低于 1V2)负载变化率越来越高从 20 世纪 80 年代中期起，采用 PWM 控制技术的高功率密度 DC/DC 变换器模块就走进了世界市场如今，已经广泛应用于各种领域称之为第一代高功率密度 DC/DC 变换器，简称为第一代产品它对电子系统的小型化、高可靠性及高性能起到了关键作用，并做出了很大的贡献，正是由于第一代产品的出现，推动了先进的分布式电源系统的建立和发展但由于在 PWM DC/DC 变换器中，变压器等磁性元件和滤波器占据了大部分的体积，工作频率则因各种原因被限制在数百千赫兹范围内，这些都是先天不足之处。

第二代产品与第一代产品相比，功率密度增加了两倍，高达 120 第二代产品的出3/Win现预示着它将是 DC/DC 变换器未来的主流产品目前，电压调整模块主要分为隔离型和非隔离型两大类隔离型电压调节模块适合较高的输入电压，拓扑主要为有源箝位正激 VRM，不对称半桥 VRM，对称半桥 VRM，推挽辽宁工程技术大学毕业设计（论文）3VRM 等等非隔离型电压调整模块输入电压一般低于 12V，拓扑方式主要为交错式 BUCK电路，中间抽头电感式 BUCK 电路，有源箝位耦合式 BUCK 电路，快速响应双 BUCK 电路等隔离型与非隔离型电压调整模块各有优缺点，其电路的特点和适用范围也不尽相同随着科学技术的进步，微处理器的速度和容量快速提高，对电压调整模块也提出更高的要求3.3V、5V 和 12V 的输入电压将进一步提高，输出电流也将超过 100A，而满载和轻载效率也要达到高于 80%的国际标准近几年，多种新型的拓扑相继问世，控制策略也不断更新，但由于效率、体积和容量的矛盾使得电压调整模块仍然有较大的发展空间随着新工艺、新元件的采用和现实应用的需求，电压调整模块必将迎来一个新的发展高峰1.3 电压调整模块（VRM）的拓扑形式根据输入电压的不同，VRM 可以分为 5V、12V、48V 输入等不同种类，其相对应的拓扑有许多不同之处；根据输入与输出之间是否隔离，VRM 又可以分为非隔离型和隔离型两种。

目前 VRM 采用较多的是 12V 输入电压，但是随着微处理器负载电流越来越大，今后分布式电源中将较多的采用 48V 母线电压给 VRM 供电，经变换输出 1V 左右给工作站和服务器 CPU 芯片使用下面对几种主要的非隔离型和隔离型拓扑进行简要的综述，并且对其主要特点进行简单介绍1.3.1 非隔离的 VRM 电路早期的 VRM 是从 5V 的直流母线直接供电的，而最近已经把母线电压提高到 12V，而这些 VRM 都是采用 BUCK 型变换器所以具有结构简单、设计容易、成本低等优点的 BUCK变换器则成为非隔离电路的代表本次设计也将围绕 BUCK 变换器设计非隔离的电压调整模块下文将具体论述1.3.2 隔离的 VRM 电路变压器原边的基本拓扑主要可用正激式、反激式、推挽式、半桥式和全桥式等 5 种 [2]1）反激变换器拓扑,图 1-1 具有电路简洁，控制方便的优点但是在开关管 Q1 关断瞬间，变压器原边漏感储能会在 Q1 的漏极产生电压尖峰，所以需要耐高压的功率管或增加缓冲吸收电路，需要大容量的输出滤波器再者，加载瞬态相应时占空比 D 不能达到 100%这些缺点不利于 VRM 功率密度的提高、成本降低以及瞬态特性的改善。

刘易鑫：四相电压调整模块的设计4+-V i nQ 1N : 1DC R图 1-1 反激变换器拓扑原理图Fig.1-1 The Principle of Instead stirs up the converter analysis situs（2）有源箝位正激拓扑,图 1-2 是一种研究很成熟的电路拓扑，这种变换器拓扑比反激变换器具有更高的效率，变压器可以工作在磁化曲线的第一、第三象限，提高了变压器的利用率，并且在占空比 D>0.5 时电路可以稳定工作箱位电路将开关管 Q1 的电压箝位在 2 倍的输入电压，降低了开关管 Q1 的电压应力为满足 VRM 快速的瞬态响应特性要求，需要小的输出滤波电感，这势必增大电流纹波，增大损耗为满足严格的输出电压精度，需要相当大的输出滤波电容，这不利于 VRM 的小型化V i nC cQ 2Q 1D 1D 2LCR图 1-2 有源箝位正激拓扑Fig.1-2 The active clamp is stirring up the analysis situs（3）变压器中心抽头倍流整流推挽变换器,图 1-3 是一种基本的隔离型拓扑，但是存在开关管关断瞬间出现漏感电压尖峰和变压器原边不对称磁化的问题，变换器性能难以改善。

Q 1Q 2V i nD 1D 2LRC图 1-3 变压器中心抽头倍流整流推挽变换器辽宁工程技术大学毕业设计（论文）5Fig.1-3 Transformer center tap time of class rectification push-pull converter（4）倍流整流不对称半桥变换器,图 1-4 是目前研究很热的隔离型拓扑，比对称半桥变换器少了一个桥臂电容该电路具有器件少、控制简单，利用变压器漏感和开关管的寄生电容可以实现开关管的 ZVS 软开关条件但是，该拓扑的效率和输入电压有关，并且变压器匝比很小时，效率会变低:再者该拓扑是个四阶系统，瞬态响应速度难以提高V i nQ 1Q 2C 1D 1D 2C 2RL 1L 2图 1-4 倍流整流不对称半桥变换器Fig.1-4 Time of class rectification asymmetrical half bridge converter1.4 本文主要研究内容本次设计将以 12V 输入，0.8V/30A 输出的 VRM 为研究对象，选取拓扑为四相交错并联的 BUCK 变换器第二章主要介绍了四相交错并联的 BUCK 变换器的工作过程及设计方法；以及控制芯片的选择和控制过程。

第三章根据第二章的分析，详细分析 BUCK变换器上各个元件的损耗与工作状态，做出设计实例，仿真并给出实验结果刘易鑫：四相电压调整模块的设计62 四相电压调整模块（VRM）的设计2.1 引言低电压大电流输出是应用于集成电路供电电源的一个发展趋势，本章将利用交错并联技术、同步整流技术和磁集成技术等手段，采用 CS5307 芯片控制，设计出利用 CS5307芯片控制四通道 BUCK 拓扑交错并联变换器设计三相电压调整模块（VRM） 详细分析所要设计电压调整模块的主电路工作原理与工作过程、控制电路的控制方式2.2 主电路的设计2.2.1 拓扑的选择早期的 VRM 是从 5V 的直流母线直接供电的，而最近己经把母线电压提高到 12V ，而这些 VRM 基本上都采用 Buck 型变换器作为非隔离型电路的代表-Buck 变换器 ,如图 2-1 所示，具有结构简单、设计容易、成本低等优点 [4]在低压 VRM 的设计中，通常采用BUCK 变换器作为其主电路拓扑BUCK 变换器结构简单，原理明了，非常适用于低压 VRM的应用场合，但是随着 DC/DC 变换器性能要求的不断提高，必须采用一些关键技术。

ivQDLCR图 2-1 BUCK 变换器电路图Fig.2-1 The Circuit diagram of BUCK converter图 2-1 所示 BUCK 变换器，在电感电流连续(CCM)工作模式下，在稳态工作时，根据一个开关周期 内电感伏秒平衡特性，开关管 Q 导通时电感电流上升幅值和关断时电感电sT流下降幅值相等，我们可以得到：（2-1）SoSoi TDLvTv1从而得到电压增益 M：辽宁工程技术大学毕业设计（论文）7（2-2）iovDM其中：D—开关管的导通比BUCK 变换器电路具有：(l)电路简洁、元器件少，有利于实现电源小型化;(2)没有高频开关变压器，不存在变压器直流偏磁和磁芯饱和等问题，提高了系统工作可靠性，易于实现电源模块化;(3)电感电流即为负载电流，控制电感电流可以实现对输出电流的精确控制由此可见 BUCK 变换器是一种适用于 VRM 的拓扑形式但是在低电压大电流输出的条件下，BUCK 变换器的续流二极管 D 在续流工作时存在相当大的导通损耗普通硅二极管存在 0.7V 左右的导通 压降，输出电压越低，其导通损耗 占输出功率 的比例越大FPO即使采用低导通压降的肖特基二极管(Si—SBD)作为输出续流管，其 0.4—0.5V 的导通压降意味着电路中仍然存在相当严重的导通损耗。

这就可以采用上文所介绍的同步整流技术来解决此问题如图 2-2 所示可将同步整流技术用于 BUCK 变换器以解决续流损耗问题用低导通压降同步整流管 MOSFET，其导通压降一般为 0.1V 取代 BUCK 变换器中的二极管 D，得到同步整流 BUCK 变换器，MOSFET 管上的损耗可以降到肖特基二极管（ Si—SBD）损耗的 1/3 以下V iQ 1控制器Q 2DLiCOR+-V图 2-2 同步整流 BUCK 变换器电路图Fig.2-2 The Circuit diagram of Synchronized rectification BUCK converter为了适应新一代 VRM 的快速响应就必须减小电感值但这将产生较大的静态电流尖峰，必将造成较大的输出电压峰值为了解决以上问题，本次设计将采用多相交错并联技术与传统的单相 DC/DC 变换器相比，多相交错并联变换技术的优点主要表现在：刘易鑫：四相电压调整模块的设计8(1)可将功率平均分配到各个变换通道中，避免开关管、整流管、输出电感等器件过于疲劳，发热过于集中；(2)由于各个变换通道交叉开闭，电流相互叠加，大大减小了输入、输出电流纹波，减小了电磁干扰 EMI。

使传统昂贵的、不易安装的电解电容器可以采用小型的贴片陶瓷电容来代替因此，纹波电流的相互抵消可以减小输入电容、输出电容和电感的尺寸和成本；(3)输入纹波电流的相互抵消减。